Ob auf einem solarbetriebenen Taschenrechner oder einer internationalen Raumstation, Sonnenkollektoren erzeugen Strom nach den gleichen elektronischen Prinzipien wie chemische Batterien oder normale Steckdosen. Bei Sonnenkollektoren dreht sich alles um den freien Fluss von Elektronen durch einen Stromkreis.
Um zu verstehen, wie diese Panels elektrischen Strom erzeugen, kann es hilfreich sein, einen kurzen Abstecher zurück zum Chemieunterricht an der High School zu machen. Das Grundelement von Sonnenkollektoren ist das gleiche Element, das zur Revolution der Computer beigetragen hat – reines Silizium. Wenn Silizium von allen Verunreinigungen befreit ist, bildet es eine ideale neutrale Plattform für die Übertragung von Elektronen. Silizium hat auch einige atomare Eigenschaften, die es für die Herstellung von Solarmodulen noch attraktiver machen.
Siliziumatome haben in ihren äußeren Bändern Platz für acht Elektronen, tragen aber in ihrem natürlichen Zustand nur vier. Somit ist Platz für vier weitere Elektronen. Wenn ein Siliziumatom ein anderes Siliziumatom berührt, erhält jedes die vier Elektronen des anderen Atoms. Dadurch entsteht eine starke Bindung, aber es gibt keine positive oder negative Ladung, da die acht Elektronen den Bedarf der Atome decken. Siliziumatome können sich jahrelang zu einem großen Stück reinen Siliziums verbinden. Dieses Material wird verwendet, um die Platten der Paneele zu bilden.
Hier kommt die Wissenschaft ins Spiel. Zwei Platten aus reinem Silizium würden in Sonnenkollektoren keinen Strom erzeugen, da sie weder positiv noch negativ geladen sind. Solarmodule werden hergestellt, indem Silizium mit anderen Elementen kombiniert wird, die positiv oder negativ geladen sind.
Phosphor zum Beispiel hat fünf Elektronen, die er anderen Atomen anbieten kann. Wenn Silizium und Phosphor chemisch kombiniert werden, sind das Ergebnis stabile acht Elektronen mit einem zusätzlichen freien Elektron für die Fahrt. Es kann nicht gehen, weil es an die anderen Phosphoratome gebunden ist, aber es wird vom Silizium nicht benötigt. Daher gilt diese neue Silizium/Phosphor-Platte als negativ geladen.
Damit Strom fließen kann, muss auch eine positive Ladung erzeugt werden. Dies wird erreicht, indem Silizium mit einem Element wie Bor kombiniert wird, das nur drei Elektronen zu bieten hat. Eine Silizium/Bor-Platte hat noch einen Platz für ein weiteres Elektron. Dies bedeutet, dass die Platte eine positive Ladung hat. Die beiden Platten sind in den Paneelen sandwichartig angeordnet, wobei leitende Drähte dazwischen verlaufen.
Mit den beiden Platten ist es nun an der Zeit, den „Solar“-Aspekt der Solarmodule einzubringen. Natürliches Sonnenlicht sendet viele verschiedene Energieteilchen aus, aber das, an dem wir am meisten interessiert sind, heißt Photon. Ein Photon verhält sich im Wesentlichen wie ein sich bewegender Hammer. Wenn die negativen Platten von Solarzellen im richtigen Winkel zur Sonne ausgerichtet sind, bombardieren Photonen die Silizium/Phosphor-Atome.
Schließlich wird das 9. Elektron, das ohnehin frei sein will, vom äußeren Ring abgeschlagen. Dieses Elektron bleibt nicht lange frei, da die positive Silizium/Bor-Platte es auf seinem eigenen äußeren Band in die offene Stelle zieht. Da die Photonen der Sonne mehr Elektronen abbrechen, wird Strom erzeugt. Die von einer Solarzelle erzeugte Elektrizität ist nicht sehr beeindruckend, aber wenn alle leitenden Drähte die freien Elektronen von den Platten wegziehen, gibt es genug Elektrizität, um Motoren mit geringer Stromstärke oder andere Elektronik anzutreiben. Alle Elektronen, die nicht verwendet werden oder an die Luft verloren gehen, werden an die negative Platte zurückgegeben und der gesamte Prozess beginnt von vorne.
Eines der Hauptprobleme bei der Verwendung von Sonnenkollektoren ist die geringe Strommenge, die sie im Vergleich zu ihrer Größe erzeugen. Ein Taschenrechner benötigt vielleicht nur eine einzige Solarzelle, aber ein solarbetriebenes Auto würde mehrere Tausend benötigen. Wird der Winkel der Paneele auch nur geringfügig verändert, kann der Wirkungsgrad um 50 Prozent sinken.
Ein Teil des Stroms von Sonnenkollektoren kann in chemischen Batterien gespeichert werden, aber normalerweise gibt es von vornherein nicht viel überschüssige Energie. Das gleiche Sonnenlicht, das Photonen liefert, erzeugt auch destruktive ultraviolette und infrarote Wellen, die schließlich dazu führen, dass die Platten physikalisch abgebaut werden. Außerdem müssen die Platten zerstörerischen Witterungseinflüssen ausgesetzt sein, die ebenfalls die Effizienz stark beeinträchtigen können.
Viele Quellen bezeichnen Sonnenkollektoren auch als Photovoltaikzellen, was auf die Bedeutung von Licht (Fotos) bei der Erzeugung elektrischer Spannung verweist. Die Herausforderung für zukünftige Wissenschaftler wird darin bestehen, effizientere Panels zu entwickeln, die klein genug für praktische Anwendungen und leistungsstark genug sind, um überschüssige Energie für Zeiten ohne Sonnenlicht zu erzeugen.